行业革新！石墨烯在半导体领域应用场景

【DT半导体】获悉，石墨烯凭借其单原子层蜂窝结构，集合了多项突破性特性。在半导体领域主要基于其卓越的物理和化学特性，包括超高载流子迁移率、优异的热导率、高强度、高透明度以及可调谐的带隙等，正在重塑半导体行业的未来！

2024年，天津大学旗下的天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的研究团队，携手美国佐治亚理工学院的研究人员成功研发出全球首个功能性石墨烯半导体，解决了困扰学界数十年的“带隙”难题！通过在碳化硅晶圆上外延生长石墨烯，并实现与碳化硅的化学键合，研究人员首次让石墨烯表现出可控的半导体特性，其电子迁移率高达硅的10倍，运算速度与能效显著提升。这一突破不仅为硅基芯片的物理极限提供了替代方案，更可能推动量子计算、高频通信等领域的跨越式发展！

石墨烯带隙调控：突破零带隙限制

石墨烯的零带隙特性是其应用于数字逻辑电路的主要障碍。为了解决这一问题，研究人员开发了多种带隙调控方法：

石墨烯纳米带 (GNRs)

通过将石墨烯切割成纳米带，可以打破其对称性，从而打开带隙。理论研究表明，纳米带的宽度越窄，带隙越大。实验证明，宽度小于10nm的石墨烯纳米带可以实现与硅、砷化镓等传统半导体相似的带隙，并表现出良好的半导体特性。

电场调控

利用双栅结构在双层石墨烯上施加可变电场，可以实现0~250meV的可调带隙。这种方法的优势在于可以动态调控带隙，但实现难度较大，且对器件结构要求较高。

化学掺杂

表面电荷转移掺杂：将掺杂剂与石墨烯直接接触，利用电荷转移移动费米能级，形成n型或p型石墨烯。这种方法不会破坏晶格结构，但未解决零禁带问题。

应用场景

高频晶体管石墨烯的超高载流子迁移率（室温下>10⁴ cm²/(V·s)）使其成为太赫兹（THz）级晶体管的理想材料。未来，GPU、CPU的运算速度有望提升至硅基芯片的10倍，助力人工智能与超算技术突破。

光电器件与光电集成石墨烯的光吸收率约为2.3%（单层），几乎透明，且其光学响应可调谐至太赫兹范围。结合高导电性，适用于光电器件。
三层菱形堆叠石墨烯的强电子-声子相互作用，为光电调制器和芯片设计提供新思路。中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位的科研人员通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构取得了重要突破。他们发现，在菱形堆垛三层石墨烯中，电子和红外声子之间具有强相互作用，该发现有望应用于光电调制器和光电芯片等领域。

散热与热管理石墨烯的导热率（5300 W/(m·K)）远超铜，可制成超薄散热膜或3D导热结构，解决高功率芯片的散热难题。
鸿富诚推出纵向石墨烯导热垫片，专为TIM1场景（裸芯片与散热器界面）设计。相比于传统材料，石墨烯导热垫片没有蠕变和泵出风险，高弹性贴合应对大尺寸芯片翘曲问题，热界面规则完整，热量传导均匀无热点。长时间高温运行不会变干，长周期老化热阻更稳定。

石墨烯在半导体领域的部分案例IBM的石墨烯场效应晶体管：IBM团队通过优化基底材料，在金刚石碳（DLC）薄膜上制备的40nm栅长石墨烯晶体管，实现了155GHz的截止频率（fT）。该技术通过降低基底声子散射，显著提升了载流子迁移率，为太赫兹级通信器件奠定了基础。

光电探测器：瑞士联邦理工学院（ETH）开发的超宽带石墨烯/氟化石墨烯（Gr）混合探测器，在无需外加偏压时即可覆盖紫外至中红外光谱，稳定工作寿命超过6个月。

中国中科院上海微系统所的石墨烯晶圆：中科院上海微系统所通过国家科技重大专项的支持，实现了高质量石墨烯晶圆的规模化生产，并将其应用于射频探测器和光电探测模块等电子器件中。

剑桥大学的Paragraf公司：Paragraf公司已经开始大规模生产直径达8英寸的石墨烯晶圆，并基于这些晶圆开发了用于射频器件的电子器件。

美国特拉华大学的硅-石墨烯光子器件：特拉华大学的研究团队开发了一种硅-石墨烯光子器件，能够在亚太赫兹带宽下传输射频波。这种器件结合了硅和石墨烯的优势，具有高速和高带宽的特点，为石墨烯器件的应用提供了新的方向。

智能手机散热方案革新：华为2018年在Mate 20系列中首次采用石墨烯导热膜，导热系数达5,300 W/m·K，替代传统人工石墨片，使芯片温度降低5-8°C。2023年，小米旗舰机型通过VC均热板与石墨烯膜组合，散热效率提升40%

这些案例表明，石墨烯器件的商业化进程正在逐步推进，从实验室研究到实际应用，涵盖了从芯片到器件等多个领域。